超聲磨削裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計【全套含有CAD圖紙三維建?！?/h1>

超聲磨削裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計【全套含有CAD圖紙三維建?！?全套含有CAD圖紙三維建模,超聲,磨削,裝置,結(jié)構(gòu)設(shè)計,全套,含有,CAD,圖紙,三維,建模 畢業(yè)設(shè)計(論文) 開 題 報 告 學(xué)生姓名 學(xué) 號 專 業(yè) 班 級 指導(dǎo)教師 2017 年 3 月 17 日 課題題目及來源： 題目：超聲磨削裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 題目來源：自擬 課題研究的意義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 1.1研究目的 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及航空航天等領(lǐng)域的需求，不銹鋼、復(fù)合材料、工程陶瓷等難加工材料應(yīng)用日趨廣泛，而此類材料的特殊性能使其加工制造非常困難。例如，海洋結(jié)構(gòu)件普遍采用耐腐蝕的不銹鋼，而不銹鋼加工起來切削力大、切削溫度高、粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重、加工硬化趨勢強(qiáng)等特點(diǎn)，使得不銹鋼切削過程中切削功率消耗大，切削溫度高，而且加工工件表面質(zhì)量較低。又如航空發(fā)動機(jī)重要零件如機(jī)匣、壓氣機(jī)風(fēng)扇葉片等廣泛采用鈦、鎳基合金等先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，而鈦、鎳基合金材料切削加工性較差，主要表現(xiàn)在材料熱硬度和熱強(qiáng)度很高，所需切削力很大，工件、刀具容易產(chǎn)生較大變形。航天飛機(jī)機(jī)頂首部廣泛采用工程陶瓷，但工程陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、高脆性等特點(diǎn)，使得陶瓷材料的加工十分困難，加工成本很高。此類材料的出現(xiàn)及廣泛應(yīng)用，對機(jī)械制造業(yè)提出了一系列迫切需要解決的新問題。對此，采用傳統(tǒng)加工方法十分困難，甚至無法加工，而特種加工很適合對這些材料進(jìn)行經(jīng)濟(jì)加工。而在眾多特種加工方法中，超聲加工有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而迅速得以發(fā)展和推廣。 1.2研究意義 超聲波是指頻率高于人耳聽覺上限的聲波。一般來講人耳可以聽到的聲波的頻率范圍約為1620KHz。因此人們常把高于20KHz的聲波稱為超聲波。而在實(shí)際應(yīng)用種有些超聲技術(shù)使用的頻率可能在16KHz以下。早在1830年為了探討人耳究竟能夠聽到多高的頻率F.Savart曾用一個多齒的輪首次產(chǎn)生了頻率為42.410Hz的超聲但人們一般卻認(rèn)為首次有效產(chǎn)生高頻聲的應(yīng)是1876年F.Galton 的氣哨實(shí)驗(yàn)。第一次世界大戰(zhàn)期間P.Langevin發(fā)明了石英晶體換能器用來在水中發(fā)射和接收頻率較低的超聲波開始了人類真正科學(xué)的開展超聲技術(shù)的研究。超聲具有許多獨(dú)特的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)如頻率高、波長短、在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性、并在液體介質(zhì)中傳播時可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。因此近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展超聲技術(shù)發(fā)展極為迅速應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。目前其應(yīng)用遍及航空、航海、 國防、生物工程以及電子等領(lǐng)域在我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來越大的作用。由于各種客觀條件的限制，迄今為止對于超聲加工，特別是旋轉(zhuǎn)超聲加工的加工機(jī)理、工藝規(guī)律和加工穩(wěn)定性等的研究還處于早期的探索階段，而對旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工的研究更是鳳毛麟角。而有研究表明，在超聲加工中，旋轉(zhuǎn)超聲磨削具有加工時磨削力小、加工效率高、精度高、工具磨損小以及對加工材料適應(yīng)廣等優(yōu)點(diǎn)，也是復(fù)合材料、不銹鋼等難加工材料比較理想的加工方法。因此得到高度的重視,發(fā)展?jié)摿κ窍喈?dāng)巨大的。 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 日本研究成功一種半波長彎曲振動系統(tǒng)，其切削刀具安裝在半波長換能振動系統(tǒng)細(xì)端，該振動系統(tǒng)換能器的壓電陶瓷片采用半圓形，上下各兩片，組成上下兩個半圓形壓電換能器(壓電振子)，其特點(diǎn)是小型化，結(jié)構(gòu)簡單，剛性增強(qiáng)。 日本還研制成一種新型“縱-彎”型振動系統(tǒng)，并已在手持式超聲復(fù)合振動研磨機(jī)上成功應(yīng)用。該系統(tǒng)壓電換能器也采用半圓形壓電陶瓷片產(chǎn)生“縱-彎”型復(fù)合振動。 1994 年日本多賀電氣株式會社采用“縱一彎”型超聲復(fù)合振動系統(tǒng)制成研磨機(jī)，用于放電加工后的模具溝槽側(cè)壁研磨拋光。研磨工具做縱向振動和彎曲振動。研究結(jié)果表明，彎曲振動方向不同，可獲得不同的研磨效果。哈爾濱工業(yè) 大學(xué)的吳永孝、張廣玉等人研制的超聲波振動小孔內(nèi)圓磨削系統(tǒng)，在小孔磨削提高磨削效率和加工精度等方面取得了一定的成效，所用磁致伸縮換能器發(fā)熱大，采用了加裝制冷裝置的方法解決冷卻問題，但致使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。1996 年前后華北工學(xué)院辛志杰、劉剛通過對超聲振動內(nèi)圓磨削機(jī)理的探討，研制了一套超聲內(nèi)圓磨削裝置，在改善工件表面質(zhì)量、提高生產(chǎn)率和內(nèi)圓磨削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計上有了新的突破。1997 年英國研制了硬脆材料納米磨削中心，可實(shí)現(xiàn)硬脆材料超聲納米表面加工；日本UNNO 海野邦昭分別進(jìn)行了工程陶瓷超聲磨削的研究。多項研究結(jié)果表明：超聲磨削陶瓷材料的加工效率可提高近一倍；當(dāng)工具與工件上同 時施加超聲振動時，加工效率可提高2—3 倍。1997 年前后西北工業(yè)大學(xué)史興寬等人研制了一種超聲內(nèi)圓磨削裝置，此裝置較專用超聲磨床主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但因發(fā)熱大而使用了冷卻裝置，這就使此超聲磨頭的結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜，雖然加工效率和加工質(zhì)量有一定的提高，但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不利于推廣使用。 2002 年弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究院研制出了新型超聲研磨設(shè)備DMS 50，采用該設(shè)備對超聲輔助磨削過程進(jìn)行了技術(shù)性分析。并且，國外已研究出先進(jìn)的超聲振動主軸，其轉(zhuǎn)速可達(dá) 4000r／min 至30，000r／min?？梢詫?shí)現(xiàn)加工過程中砂輪的振動，并使其轉(zhuǎn)速達(dá)到傳統(tǒng)磨削工藝的水平。 德國 Fraunhofer 研究中心和布萊梅大學(xué)精密工程中心采用非圓周對稱結(jié)構(gòu)在單縱振激勵的條件下產(chǎn)生了 10:1 的橢圓振動，提高了刀具壽命，也保證了加工精度。另外新加坡制造技術(shù)研究所仿照德國研究人員的結(jié)構(gòu)也制作除了超聲橢圓振動切削不銹鋼的裝置。 天津大學(xué)于思遠(yuǎn)、劉殿通等人對各種先進(jìn)陶瓷小孔加工進(jìn)行了系統(tǒng)研究，采用無冷壓電陶瓷換能器研制了一臺陶瓷小孔超聲波磨削加工機(jī)床，在工程陶瓷小孔磨削時對磨頭施以超聲振動，提出了高效的超聲磨削復(fù)合加工方法，效率比傳統(tǒng)的超聲加工提高6 倍以上，表面質(zhì)量也有大幅度提高 。南京航空航天大學(xué)楊衛(wèi)平、徐家文設(shè)計了用于加工三維型面的超聲磨削裝置，推導(dǎo)了用于數(shù)控加工的超聲磨削裝置變幅桿設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，此裝置采用電機(jī)直連進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，電信號傳輸采用碳刷集流環(huán)的傳輸方式。河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院李華、殷振等人設(shè)計了超聲波橢圓振動內(nèi)圓磨削磨頭，并在超聲振動內(nèi)圓磨削系統(tǒng)中采用了新型的回轉(zhuǎn)式非接觸超聲波電能傳輸方式，解決了碳刷、集流環(huán)電能傳輸方式中存在的問題 [25] 。 德國 DMG 公司和日本馬扎克公司將超聲振動頭安裝在加工中心上，進(jìn)行了零件異形溝槽加工、內(nèi)外圓磨削、平面磨削加工、以及導(dǎo)電陶瓷材料的超聲振動磨削研究，取得良好效果，并已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。在第八屆中國國際機(jī)床展覽會(CIMT2003)上，德國DMG 公司展出了其新產(chǎn)品 DMS35Ultrasonic 超聲振動加工機(jī)床，該機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速3 000～4 0000 r/min，特別適合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。與傳統(tǒng)加工方式相比，生產(chǎn)效率提高5 倍，加工表面粗糙度 Ra＜0.2μ m，可加工0.3mm 精密小孔，堪稱硬脆材料加 （DMS35Ultrasonic） 課題研究的主要內(nèi)容和方法，研究過程中的主要問題和解決辦法： 2.1基本內(nèi)容 研究對象：超聲磨削裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計； 研究的問題： 1、闡述課題背景，對國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和分析； 2、根據(jù)主要技術(shù)指標(biāo)，在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上制定總體設(shè)計方案，并闡明方案制定依據(jù)； 3、對超聲磨削裝置進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計；完成超聲磨削裝置運(yùn)動設(shè)計、零部件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計； 4、對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精度和剛度校核； 5、得出設(shè)計結(jié)論。 2.3所要解決問題 ? 1、超聲加工設(shè)備及其組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計：超聲磨削裝置要與數(shù)控立式床身銑床聯(lián)接，裝置要座于銑床的銑頭。因?yàn)榧庸ば枰员狙b置一直處在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。因此變幅桿與主軸的連接處，需要更穩(wěn)定，防止裝置在加工過程中產(chǎn)生震動的現(xiàn)象。初步設(shè)計采用四種方案，方案一 三 四采用電機(jī)加聯(lián)軸器方案二采用電機(jī)加皮帶輪，方案一 三 四比方案二的整體尺寸相對結(jié)構(gòu)要小得多，這對減輕裝置的重量大有意義，結(jié)構(gòu)方案一、三與結(jié)構(gòu)方案四相比，前兩者的裝配較方便，但是，電機(jī)與軸的同軸度很難保證，在高速旋轉(zhuǎn)下同軸度如果沒發(fā)保證的話，軸承會很快磨損，裝置的工作狀態(tài)就會呈現(xiàn)出惡性循環(huán)，軸就會擺動。如此一來裝置的加工精度就沒法保證了，本裝置的精密加工就失去了意義。再者如果同軸度不好，軸的速度也不會達(dá)到較高速度。這也沒法實(shí)現(xiàn)高速磨削的目的。 結(jié)構(gòu)方案四中聯(lián)軸器處于電機(jī)座的內(nèi)部，軸座和電機(jī)座之間的同軸度靠兩者之間的定位銷來保證，這樣就可以避免上述問題的出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)方案二為電機(jī)加皮帶輪， 整體上顯得系統(tǒng)所占空間較大。軸受到較大的彎矩作用，因此在設(shè)計中要注意軸徑是否有足夠的彎矩強(qiáng)度，同時還要注意是否有足夠的剛性。如果剛性不足的話，那么軸就會被拉彎，軸的另一端就會出現(xiàn)擺角，裝置的加工精度也就沒法保證了。 結(jié)構(gòu)方案四中的電機(jī)座是整個裝置的支撐，電機(jī)僅僅是靠其端部四個螺釘來固定 的，因此看來電機(jī)座后面的大部分對電機(jī)不起支撐作用，多余的材料就增加了系統(tǒng)的重量。而且裝置整體看來顯得前小后大，前面薄弱剛性不足，后面材料過多，笨重有余。從審美的觀點(diǎn)來看也顯得不夠美觀?？偟膩碚f上的幾種結(jié)構(gòu)方案各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，最終結(jié)構(gòu)方案是綜合上面幾種結(jié)構(gòu)方案中的可取之處，同時彌補(bǔ)其不足之點(diǎn)而成的。 2、變幅桿的設(shè)計：需要盡力提高放大系數(shù)，從而提高超聲加工的效率，并綜合考慮變幅桿的設(shè)計、制造采用由圓柱形和圓錐形變幅桿組合而成的復(fù)合型變幅桿且此變幅桿兩段采用不同截面、不同材料，因此材料選擇變的很重要，初步選定材料有鋁合金、鈦合金和45號鋼等。 3、壓電陶瓷的選擇：考慮到磁致伸縮換能器的主要缺陷在于高電能損失（例如渦流損失）和低能量利用率（-50%），這些損失表現(xiàn)為熱，因此換能器必須水冷或空冷而且體積很大。與壓電式的相比，它也不能產(chǎn)生高的振動強(qiáng)度。而壓電換能器能量效率很高（可達(dá)90~96%），不需要任何冷卻。不易于熱損傷，更容易構(gòu)建，也更適于旋轉(zhuǎn)超聲加工。 4、軸強(qiáng)度的較核與鍵的校核：根據(jù)具體的受力載荷情況分別進(jìn)行大量計算對于主要承受扭矩的軸（傳動軸），應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算；對于只承受彎矩的軸（心軸），應(yīng)安彎矩強(qiáng)度計算；對于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度計算，需要時還應(yīng)按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行計算。通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度較核計算。對于導(dǎo)向平鍵聯(lián)接，其主要失效形式是工作面的過度磨損。因此，通常按工作面上的壓力進(jìn)行條件性的強(qiáng)度較核計算。 5、電機(jī)的計算與選擇：磨削過程中，由于磨粒的作用以及砂輪表面上有效的狀況異常復(fù)雜，因而要想建立一個十分切合實(shí)際的陶瓷磨削力數(shù)學(xué)模型非常困難。所以需要經(jīng)過大量計算來確定電機(jī)的功率，分別計算了電環(huán)處線速度，材料磨削力大小，最大扭矩，聯(lián)軸器和軸承的機(jī)械效率，總的機(jī)械效率，電機(jī)需提供的功率。最終確定所選電機(jī)。 課題研究所需的參考文獻(xiàn)： [1] 濮良貴等主編.機(jī)械設(shè)計.高等教育出版社，2001 [2] 孫桓等主編.機(jī)械原理.高等教育出版社，2001 [3] 陳日曜主編.金屬切削原理. 機(jī)械工業(yè)出版社，2000 [4] 王先逵主編.機(jī)械制造工藝學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [5]機(jī)械設(shè)計（原書.第16版）（德）穆斯　等編著，孔建益　譯?/2012-03-01?/機(jī)械工業(yè)出版社 [6]機(jī)械設(shè)計王軍，田同海　主編?/2015-07-01?/機(jī)械工業(yè)出版社 [7]先進(jìn)制造技術(shù)，盛曉敏，鄧朝暉　主編 機(jī)械工業(yè)出版社 [8]超聲加工技術(shù)，曹鳳國，機(jī)械工業(yè)出版社 [9]難加工材料的磨削， 任敬心主編，國防工業(yè)出版社, 1999 [10] 顧煜炯等，超聲振動系統(tǒng)設(shè)計及性能分析的解析方法，華北電力大學(xué)學(xué)報, 1998 [11] Shigley’s Mechanical Engineering Design, [12]Mechanical Engineering Handbook,by Frank Kreith [13]Automotive Engineering Fundmentals,by Richard Stone,Jeffrey K.Ball 指導(dǎo)教師審查意見： 指導(dǎo)教師簽字：　 20 年 月 日 指導(dǎo)委員會意見審核意見： 組長簽字： 　　　20　年 月 日

收藏